當(dāng)電網(wǎng)中的電壓或電流波形非理想的正弦波時(shí)，即說(shuō)明其中含有頻率高于50Hz的電壓或電流成分，我們將頻率高于50Hz的電流或電壓成分稱之為諧波。諧波的對(duì)電子器件的正常工作有重要影響。本文從諧波的產(chǎn)生，危害與抑制來(lái)闡述諧波的對(duì)電網(wǎng)的影響。
一．諧波的產(chǎn)生
電網(wǎng)諧波來(lái)自于三個(gè)方面：一是發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波；二是輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波；三是用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波，其中用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波最多。
1.電網(wǎng)與電源設(shè)備
發(fā)電機(jī)由于三相繞組在制作上很難做到絕對(duì)對(duì)稱，鐵心也很難做到絕對(duì)均勻一致和其他一些原因，發(fā)電源多少也會(huì)產(chǎn)生一些諧波，但一般來(lái)說(shuō)很少。
輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波，由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設(shè)計(jì)變壓器時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵心的飽和程度有關(guān)。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點(diǎn)偏離線性越遠(yuǎn)，諧波電流也就越大，其中諧波電流可達(dá)額定電流的30.5%。
2.在用電設(shè)備中，下面一些設(shè)備都能產(chǎn)生諧波
?。?）晶閘管整流設(shè)備：由于晶閘管整流在電力機(jī)車、鋁電解槽、充電裝置、開(kāi)關(guān)電源等許多方面得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，給電網(wǎng)造成了大量的諧波。
我們知道，晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網(wǎng)吸收的是缺角的正弦波，從而給電網(wǎng)留下的也是另一部分缺角的正弦波，顯然在留下部分中含有大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路時(shí)則含有奇次諧波電流，其中3次諧波的含量可達(dá)基波的30%；接容性負(fù)載時(shí)則含有奇次諧波電壓，其諧波含量隨電容值的增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋脈沖整流器，變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電流；如果是12脈沖整流器，也含有11次及以上奇次諧波電流。經(jīng)統(tǒng)計(jì)表明：由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。
?。?）變頻裝置：變頻裝置常用于風(fēng)機(jī)、水泵、電梯等設(shè)備中，由于采用了相位控制，諧波成份很復(fù)雜，除含有整數(shù)次諧波外，還含有分?jǐn)?shù)次諧波，這類裝置的功率一般較大，隨著變頻調(diào)速的使用的增多，對(duì)電網(wǎng)造成的諧波也越來(lái)越多。
?。?）電弧爐、電石爐：由于加熱原料時(shí)電爐的三相電極很難同時(shí)接觸到高低不平的爐料，使得燃燒不穩(wěn)定，引起三相負(fù)荷不平衡，產(chǎn)生諧波電流，經(jīng)變壓器的三角形連接線圈而注入電網(wǎng)。其中主要是2～7次的諧波，平均可達(dá)基波的8%～20%，最大可達(dá)45%。
?。?）氣體放電類電光源：熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈等屬于氣體放電類電光源。分析與測(cè)量這類電光源的伏安特性，可知其非線性十分嚴(yán)重，有的還含有負(fù)的伏安特性，它們會(huì)給電網(wǎng)造成奇次諧波電流。
?。?）家用電器：電視機(jī)、錄像機(jī)、計(jì)算機(jī)、調(diào)光燈具、調(diào)溫炊具等，因具有調(diào)壓整流裝置，會(huì)產(chǎn)生較深的奇次諧波。在洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、空調(diào)器等有繞組的設(shè)備中，因不平衡電流的變化也能使波形改變。這些家用電器雖然功率較小，但數(shù)量巨大，也是諧波的主要來(lái)源之一。
二．諧波的危害
諧波會(huì)產(chǎn)生各種各樣的危害主要有：
?、庞捎谥C波的頻率較高，使導(dǎo)線的趨膚效應(yīng)加重，因此銅損急劇增加。同時(shí)變壓器鐵心由于不能適應(yīng)急劇變化的磁通而導(dǎo)致鐵損急劇增加。
⑵諧波會(huì)影響表計(jì)的計(jì)量精度。從原理上進(jìn)行分析：諧波源將其吸收的一部分電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹C波發(fā)送到電網(wǎng)中去，因此電能表會(huì)將諧波能量當(dāng)作發(fā)電來(lái)進(jìn)行計(jì)算，從而導(dǎo)致計(jì)量誤差。對(duì)于機(jī)械式電能表還會(huì)由于高頻率諧波所產(chǎn)生的高頻渦流阻力而變慢。在高次諧波嚴(yán)重的情況下（例如中頻爐）會(huì)嚴(yán)重影響電能表的計(jì)量精度，導(dǎo)致莫名其妙的丟電現(xiàn)象。
?、蔷茈娮釉O(shè)備（包括電子式電能表）會(huì)被嚴(yán)重干擾，導(dǎo)致不能正常工作，甚至燒毀。
⑷所有接于電網(wǎng)中的設(shè)備的損耗都會(huì)增加，溫升增加。含有電容器的設(shè)備受影響最為嚴(yán)重，甚至可能導(dǎo)致設(shè)備損壞以及電容器爆炸等事故。
?、呻姍C(jī)類負(fù)荷由于諧波的逆序作用而導(dǎo)致輸出扭矩下降。
⑹繼電保護(hù)機(jī)構(gòu)可能會(huì)由于諧波而產(chǎn)生誤動(dòng)或拒動(dòng)故障。
當(dāng)電網(wǎng)的諧波污染程度小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定時(shí)，通常不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響。隨著污染程度的增加，諧波的影響就逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。在諧波嚴(yán)重超標(biāo)的情況下，如果不進(jìn)行諧波治理，往往會(huì)產(chǎn)生很嚴(yán)重的后果。
三．諧波的抑制
對(duì)電力諧波的抑制就是如何減少或消除注入系統(tǒng)的諧波電流，以便把諧波電壓控制在限定值之內(nèi)，抑制諧波電流主要有三方面的措施：
?。?）降低諧波源的諧波含量：也就是在諧波源上采取措施，最大限度地避免諧波的產(chǎn)生。這種方法比較積極，能夠提高電網(wǎng)質(zhì)量，可大大節(jié)省因消除諧波影響而支出的費(fèi)用。
具體方法有：
??？增加整流器的脈動(dòng)數(shù)：整流器是電網(wǎng)中的主要諧波源，其特征頻譜為：
n＝Kp±1，則可知脈沖數(shù)p增加，n也相應(yīng)增大，而In≈I1/n，故諧波電流將減少。因此，增加整流脈動(dòng)數(shù)，可平滑波形，減少諧波。電力電子裝置常將6脈波的變流器設(shè)計(jì)成12脈波或24脈波變流器，以減少交流側(cè)的諧波電流含量。理論上，脈波越多，對(duì)諧波的抑制效果越好，但是脈波數(shù)越多整流變壓器的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，體積越大，變流器的控制和保護(hù)變得困難，成本增加。
脈寬調(diào)制法：脈寬調(diào)制技術(shù)的基本思想是控制PWM輸出波形的各個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)刻，保證四分之一波形的對(duì)稱性。根據(jù)輸出波形的傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式，使需要消除的諧波幅值為零、基波幅值為給定量，達(dá)到消除指定諧波和控制基波幅值的目的，目前采用的PWM技術(shù)有最優(yōu)脈寬調(diào)制、改進(jìn)正弦脈寬調(diào)制、Δ調(diào)制、跟蹤型PWM調(diào)制和自適應(yīng)PWM控制等。
三相整流變壓器采用Y／Δ或Δ／Y的接線：三相整流變壓器采用Y／Δ或Δ／Y的接線形式，這樣可以消除3的整數(shù)倍次的電力諧波，從而使注入電網(wǎng)的諧波電流只有5、7、11……等次諧波。
?。?）在諧波源處吸收諧波電流：這類方法是對(duì)已有的諧波進(jìn)行有效抑制的方法，這是目前電力系統(tǒng)使用最廣泛的抑制諧波方法。目前常用的方式采用有無(wú)源濾波裝置和有源濾波裝置等。下面就談?wù)勥@幾種方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及市場(chǎng)前景及其經(jīng)濟(jì)效益的分析。
無(wú)源諧波濾除裝置：無(wú)源濾波器也稱為L(zhǎng)C濾波器，可分為單調(diào)諧濾波器、雙諧濾波器和高通濾波器，實(shí)際應(yīng)用中常采用幾組單調(diào)諧濾波器和幾組高通濾波器組成一個(gè)濾波裝置，單調(diào)諧濾波器也叫單調(diào)諧濾波回路，其主要由控制器、電容器、電抗器和投切開(kāi)關(guān)以及其控制回路和保護(hù)回路組成。無(wú)論高壓和低壓，都是一樣的。高壓濾波器和低壓濾波器的區(qū)別，主要是使用的元器件的耐壓不同，其所承受的電流也不同，要求的安全距離也就不同了，其設(shè)計(jì)和制造的難易程度也就有極大的區(qū)別了。
濾除諧波的多少視每一個(gè)工程的實(shí)際情況而不同，一般為系統(tǒng)原含有諧波量的20%~50%不等。也可視工程的具體情況，多設(shè)幾組濾波器，濾波效果達(dá)到原有諧波含量的70%以上，但這要在保護(hù)回路上多下功夫，其保護(hù)回路也就相對(duì)復(fù)雜一點(diǎn)了。無(wú)源濾波的主要結(jié)構(gòu)是用電抗器與電容器串聯(lián)起來(lái)，組成LC串聯(lián)回路，并聯(lián)于系統(tǒng)中，LC回路的諧振頻率設(shè)定在需要濾除的諧波頻率上，例如5次、7次、11次諧振點(diǎn)上，達(dá)到濾除這3次諧波的目的。現(xiàn)在，市場(chǎng)上流通較多采取的濾波方法就是這一種，濾波效果雖差，但成本較低，用戶容易接受。但使用中如果諧振頻率設(shè)定得不好，會(huì)與系統(tǒng)產(chǎn)生諧振。
有源諧波濾除裝置：有源諧波濾除裝置是在無(wú)源濾波的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它的濾波效果好，在其額定的無(wú)功功率范圍內(nèi)，濾波效果是百分之百的。它主要是由電力電子元件組成電路，使之產(chǎn)生一個(gè)和系統(tǒng)的諧波同頻率、同幅度，但相位相反的諧波電流與系統(tǒng)中的諧波電流抵消。但由于受到電力電子元件耐壓，額定電流的發(fā)展限制，成本極高，其制作也較之無(wú)源濾波裝置復(fù)雜得多，成本也就高得多了。其主要的應(yīng)用范圍是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的供電系統(tǒng)，尤其是寫字樓的供電系統(tǒng)，工廠的計(jì)算機(jī)控制供電系統(tǒng)。
防止并聯(lián)電容器組對(duì)諧波的放大：在電網(wǎng)中并聯(lián)電容器組起改善功率因數(shù)和調(diào)節(jié)電壓的作用。當(dāng)諧波存在時(shí)，在一定的參數(shù)下電容器組會(huì)對(duì)諧波起放大作用，危及電容器本身和附近電氣設(shè)備的安全?？刹扇〈?lián)電抗器，或?qū)㈦娙萜鹘M的某些支路改為濾波器，還可以采取限定電容器組的投入容量，避免電容器對(duì)諧波的放大。為了解決無(wú)源濾波器和有源濾波器各自存在的缺點(diǎn),構(gòu)成比較理想的諧波補(bǔ)償系統(tǒng),一般將有源濾波器和無(wú)源濾波器混合使用。
④加裝靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置：快速變化的諧波源有電弧爐、電力機(jī)車和卷?yè)P(yáng)機(jī)等，除了產(chǎn)生諧波外，往往還會(huì)引起供電電壓的波動(dòng)和閃變，有的還會(huì)造成系統(tǒng)電壓三相不平衡，嚴(yán)重影響公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量。在諧波源處，并聯(lián)裝設(shè)靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置，可有效減小波動(dòng)的諧波量，同時(shí)，可以抑制電壓波動(dòng)、電壓閃變、三相不平衡，還可補(bǔ)償功率因數(shù)。
?。?）改善供電環(huán)境：選擇合理的供電電壓并盡可能保持三相電壓平衡，可以有效地減小諧波對(duì)電網(wǎng)的影響。諧波源由較大容量的供電點(diǎn)或高一級(jí)電壓的電網(wǎng)供電，承受諧波的能力將會(huì)增大。對(duì)諧波源負(fù)荷由專門的線路供電，減少諧波對(duì)其它負(fù)荷的影響，也有助于集中抑制和消除高次諧波。
總之，諧波問(wèn)題的解決方法可分為預(yù)防性的和補(bǔ)救性兩種，濾波的最后結(jié)果是要使系統(tǒng)的諧波含量滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求或用戶對(duì)諧波的要求。除了上述介紹的幾種方法，抑制諧波的技術(shù)措施還有很多，但大都依據(jù)以下幾個(gè)原則：抑制諧波電流的產(chǎn)生與注入；改善裝置的功率因數(shù)與無(wú)功功率補(bǔ)償；濾波裝置安裝位置的合理選擇；電磁干擾的消除和電磁兼容性；多種補(bǔ)償功能一體化。
評(píng)論